chương 1, khóa điện tử là cơ sở cho việc thực hiện các bộ biến đổi logic, là phần tử cơ bản của các mạch số. Có hai loại linh kiện bán dẫn 3 cực chủ yếu: transistor hiệu ứng trường (MOSFET), là linh kiện mà chúng ta được học trong chương này, và transistor lưỡng cực (BJT), sẽ được nghiên cứu trong chương 5. Mặc dù mỗi loại đều có những đặc tính riêng và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, nhưng MOSFET đến nay đã trở thành linh kiên điện tử được sử dụng rộng rãi nhất, đặc biệt trong việc thiết kế các mạch tích hợp (ICs), mà các mạch điện được chế tạo trên cùng một chip silicon duy nhất. So với BJT, MOSFET có thể được chế tạo khá nhỏ (tức là đòi hỏi một diện tích nhỏ trên một chip trên chip silicon) và quá trình sản xuất của chúng tương đối đơn giản (xem phụ lục A).
Ngoài ra, hoạt động của chúng yêu cầu công suất tương đối thấp. Hơn nữa, các nhà thiết mạch điện có thể tìm thấy các cách để thực hiện các hàm số và tương tự gần như chỉ sử dụng các MOSFET ( tức là với rất ít điện trở hoặc không có). Tất cả các đặc điểm này mang đến khả năng đóng gói một số lượng lớn các MOSFET (> 200 triệu) trên một chip silicon duy nhất để thực hiện các mạch điện rất tinh vi, các mạch tích hợp có qui mô lớn (VLSI) chẳng hạn như bộ nhớ và vi xử lý. Các mạch tương tự như các bộ khuếch đại và bộ lọc cũng được thực hiện bằng công nghệ MOS, dù mật độ tích hợp trên chíp nhỏ hơn.
Ngoài ra cả hai chức năng tương tự và số ngày càng có khả năng được thực hiện trên cùng một chip, được biết đến như là các thiết kế tín hiệu hỗn hợp. Mục tiêu của chương này là trình bày cho người đọc hiểu biết MOSFET ở mức độ cao hơn: cấu trúc vật lý và hoạt động, đặc điểm các cực, các mô hình mạch điện, và các mạch ứng dụng cơ bản, như một bộ khuếch đại và một bộ biến đổi logic. Mặc dù các transistor MOS rời rạc tồn tại, và nội dung nghiên cứu trong chương này cho phép người đọc thiết kế thiết kế các mạch MOS rời rạc, nhưng nghiên cứu của ta về MOSFET sẽ bị chi phối mạnh mẽ bởi thực tế rằng, hầu hết các các ứng dụng của nó trong là trong thiết kế mạch tích hợp. Thiêt kế vi mạch tương tự và các mạch số MOS chiếm một tỉ lệ lớn của phần còn lại trong cuốn sách này.1 Cấu trúc linh kiện và hoạt động vật lý Transistor MOSFET loại cải tiến là tranzsistor hiệu ứng trường được sử dụng nhiều nhất.
Trong phần này, chúng ta sẽ nghiên cứu cấu trúc và hoạt động vật lý của MOSFET. Các đường đặc tính V-A của linh kiện, được nghiên cứu trong phần sau.1 Cấu trúc linh kiện Hình 4.1, thể hiện cấu trúc vật lý của MOSFET loại cải tiến kênh n. Ý nghĩa của các tên gọi “cải tiến” và “kênh n” sẽ được giải thích ở sau. Transistor được chế tạo trên một chất nền loại p, nó là một đế silicon đơn tinh thể rất mỏng cung cấp hỗ trợ vật lý cho linh kiên (và cho toàn bộ mạch điện trong trường hợp một mạch tích hợp).
Hai vùng bán dẫn loại n có nồng độ tạp chất lớn, được chỉ ra trong hình đó là miền nguồn n và máng, được tạo ra trên miền đế. Một lớp mỏng silicon dioxide (SiO2) có độ dày 𝑡𝑜𝑥 ( thường là 2-50 𝑛𝑚2 ) là một chất cách điện tuyệt vời, được tăng cường trên bề mặt của đế, bao bọc vùng diện tích ở giữa miền nguồn và vùng máng. Kim loại được phủ ở trên của lớp oxide để tạo thành điện cực gốc của linh kiện. Tiếp xúc kim loại cũng được sử dụng để tao thành miền nguồn, miền máng, miền đế, hay còn được gọi là thân.
Do đó 4 các cực được đưa ra ngoài: cực gate (G), cực nguồn (S), cực máng (D), và cực đế hay cực body (B). Ở điểm này nên rõ ràng rằng tên của linh kiện (FET bán dẫn oxit kim loại) bắt nguồn từ cấu trúc vật lý của nó. Tuy nhiên nó đã trở thành tên một tên gọi chung và được dùng cho các FET không sử dụng kim loại cho điện cực gốc. Trong thực tế, hầu hết các MOSFET hiện đại được chế tạo sử dụng một quá trình được biết đến là công nghệ silicon-gate, trong đó một loại silicon xác định được gọi là polysilicon, được sử dụng để tạo thành điện cực gốc (xem phụ lục A).
Sư mô tả về hoạt động và các ứng dụng đặc tính của MOSFET sau đây không phân biệt loại điện cực cổng khác nhau. Vùng nguồn Đế loại P Vùng kênh Vùng máng (A) Cực nguồn Cực cửa Cực máng Đế Một tên khác của MOSFET là FET cực cổng cách ly hay IGFET. Tên này cũng bắt nguồn từ cấu trúc vật lý của của linh kiện, nhấn mạnh một thực tế là điện cực cổng được cách ly về điện với phần thân của linh kiện (bởi lớp oxide). Chính sự cách ly này làm cho dòng điện ở cực cổng trở lên rất nhỏ (khoảng 10-15 A).
Quan sát cho thấy lớp nền tạo lên các lớp tiếp giáp pn với miền nguồn và máng. Trong điều kiện hoạt động bình thường, các lớp tiếp xúc này luôn luôn phân cực ngược. Khi cực máng có điện thế dương so với với cực nguồn thì lớp 2 tiếp giáp pn có thể được loại bỏ hoàn toàn bằng cách nối cực nền với cực nguồn. Chúng ta sẽ giả thiết điều này là trường hợp trong mô tả hoạt động dưới đây của MOSFET.
Như vậy ở đây lớp nền được xem như là không ảnh hưởng đến hoạt động của linh kiện, và MOSFET sẽ được coi như một linh kiện có 3 cực, với các cực lần lượt là cực cổng (G), cực nguồn (S) và cực máng (D). Có thể thấy rằng điện áp đặt vào cực cổng sẽ điều khiển dòng diện giữa cực nguồn và cực máng. Dòng điện này sẽ chạy theo chiều dọc từ cực máng đến cực nguồn gọi là “miền kênh”. Lưu ý rằng miền này có chiều dài L và chiều rộng W, là 2 thông số quan trọng của MOSFET.
Trong đó thông thường L nằm trong khoảng 0,1 µm đến 3 µm, và W nằm trong khoảng từ 0,2 µm đến 100 µm .Cuối cùng , cần lưu ý rằng MOSFET là một linh kiện đối xứng, do vậy cực nguồn và cực máng có thể đổi chỗ cho nhau và không làm thay đổi tính chất của linh kiện.2 Hoạt động của trƣờng hợp không có điện áp cổng Khi không có điện áp phân cực đưa vào cực cổng, 2 điốt quay lưng vào nhau mắc nối tiếp giữa cực máng và nguồn. Một điốt được tạo ra bởi lớp tiếp xúc pn giữa vùng cực máng n+ và vùng đế loại p, và điốt kia được tạo bằng lớp tiếp giáp pn giữa miền đế loại p và miền cực nguồn loại n+. Các điốt này giúp ngăn chặn sự dẫn điện từ miền cực máng sang miền cực nguồn khi một điện áp vDS được đưa vào. Trên thực tế, đường dẫn giữa cực máng và cực nguồn có điện trở khá lớn (khoảng 12 10 Ω ).3 Tạo kênh cho dòng điện Xét trường hợp tiếp theo như mô tả trong hình 4.
Ở đây ta nối đất cực nguồn và cực máng , và đặt một điện áp dương vào cực cổng (G). Do cực nguồn được nối đất nên xuất hiện điện áp cực cổng tương ứng giữa cổng và cực nguồn, do đó được ký hiệu là vGS. Trong trường hợp đầu tiên , điện áp dương ở cực cổng sẽ khiến cho các lỗ trống tự do (điện tích dương) được giải phóng khỏi miền cực nền nằm phía dưới cực cổng (miền kênh). Những lỗ trống này sẽ được đẩy xuống phía dưới vùng nền, để lại sau chúng một miền nghèo.
Vùng nghèo này sẽ được lấp đầy bởi điện tích âm cộng tương ứng với các nguyên tử nhận. Những điện tích này được “mở” ra do các lỗ trống trung hòa về điện tích được đẩy xuống miền nền. Cũng như vậy, điện áp cực cổng hút các electrons từ miền cực nguồn và miền cực máng n+ ( nơi có nhiều electron) vào miền kênh. Khi một lượng đủ electron được tích lũy gần bề mặt của cực nền bên dưới cực cổng, kết quả là một miền n được tạo ra, nối miền cực nguồn và miền cực máng, như trong hình 4.
Bây giờ nếu một điện áp được đặt giữa cực máng và cực nguồn, dòng điện chảy qua miền cảm ứng n, do các dòng electron dịch chuyển mang lại. Miền cảm ứng n do đó tạo nên một kênh dẫn cho dòng điện từ cực máng đến cực nguồn, được gọi với tên tương ứng, kết quả là MOSFET trong hình 4.2 được gọi là MOSFET kênh n hoặc là transistor NMOS. Lưu ý một MOSFET kênh n được tạo thành trên một miền đế loại p. Kênh dẫn được tạo ra bằng cách đảo bề mặt đế từ loại p sang loại n.
Do vậy kênh cảm ứng còn được gọi là lớp nghịch đảo.2 Transistor NMOS loại cải tiến với một điện áp đặt đặt vào cực cổng , một kênh n được cảm ứng tại đỉnh của lớp nền bên dưới cực cổng Giá trị của điện áp vGS khi một lượng đủ các electron tự do tích lũy tại miền kênh để tạo nên một kênh dẫn được gọi là điện áp ngƣỡng và được ký hiệu là Vt. Hiển nhiên là Vt đối với FET kênh n là dương. Giá trị của Vt được điều chỉnh trong quá trình sản xuất linh kiện và thông thường nằm trong khoảng 0. Cực cổng và miền kênh của MOSFET tạo thành một bản tụ song song, với lớp oxit đóng vai trò như chất điện môi của tụ điện.
Điện áp dương tại cực cổng dẫn đến điện tích dương tích tụ trên mặt bản tụ điện (điện cực cổng). Điện tích âm tương ứng ở mặt phía dưới được tạo ra bởi các electrons trong kênh cảm ứng. Điện trường do đó sẽ tạo ra theo phương thẳng đứng. Chính điện trường này điều khiển số lượng điện tích trong kênh, và do đó sẽ quyết định độ dẫn điện của kênh và tiếp đó là dòng điện sẽ chảy qua kênh khi có điện áp vGS được đặt vào.4 Đặt điện áp vDS nhỏ Khi đã có một kênh dẫn, bây giờ chúng ta sẽ đặt một điện áp dương vDS giữa cực máng và cực nguồn, như hình 4.
Trước hết ta xem xét trường hợp khi mà điện áp vDS nhỏ (ví dụ vDS = 50mV hoặc tương tự). Điện áp vDS tạo ra một dòng điện iD chảy qua kênh cảm ứng n. Dòng điện được tạo ra bởi các electrons tự do di chuyển từ cực nguồn sang cực máng (do đó đặt tên là nguồn và máng).